隧道巖爆預(yù)測及防治施工技術(shù)研究

涂齊亮 閆蘇濤 鐘傳江 王元榮

（1.中鐵十七局集團(tuán)有限公司 山西太原 030006；2.中國鐵路青藏集團(tuán)有限公司 青海西寧 810000）

1 前言

巖爆是在高地應(yīng)力條件下，隧道洞室開挖后還未來得及做初期支護(hù)，或者初期支護(hù)已做完但因其強(qiáng)度不夠而發(fā)生的圍巖失穩(wěn)的現(xiàn)象，是巖體的一種突然劇烈的動(dòng)力破壞現(xiàn)象，是高地應(yīng)力巖石隧道中危害最大的地質(zhì)災(zāi)害之一。巖爆對(duì)隧洞本體結(jié)構(gòu)、圍巖穩(wěn)定、支護(hù)結(jié)構(gòu)、機(jī)械設(shè)備以及施工人員心理造成重大傷害和嚴(yán)重影響，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)巖爆的強(qiáng)度、發(fā)生時(shí)間、巖爆形式對(duì)于減輕巖爆災(zāi)害保證施工安全具有重要意義。本文以拉林鐵路崗木拉山隧道巖爆施工為背景，根據(jù)現(xiàn)場巖爆特征總結(jié)了巖爆規(guī)律，結(jié)合規(guī)律分析了巖爆影響因素，總結(jié)了隧道巖爆預(yù)測及防治施工技術(shù)的一些經(jīng)驗(yàn)，為今后巖爆隧道的施工提供借鑒。

2 工程地質(zhì)概況

崗木拉山隧道位于西藏自治區(qū)米林縣境內(nèi)，崗木拉山隧道起訖里程DK346＋340～DK358＋000，全長11 660 m，其中單線隧道長11 357 m，車站隧道長303m，隧道最大埋深1 800m。里龍車站伸入隧道進(jìn)口端，DK346＋340～DK346＋643段為車站大跨段。線路縱坡為 1‰／1 400 m、3‰／4 100 m、-6.0‰／6 430 m、-3.0‰／500 m的人字坡，隧道洞身DK347＋163.334～DK347＋546.830段位于R＝3 000 m的左偏曲線上，其余段落均位于直線上。

隧道沿線區(qū)域位于西藏自治區(qū)東南部，地處雅魯藏布江桑加峽谷地貌，兩岸均為極高山。地形起伏較大，隧道進(jìn)出口段皆位于冰川溝內(nèi)的緩坡，坡度為5°～10°，基巖巖性以閃長巖、片麻巖為主，加之地處高原，地表多荒蕪。山高谷深，氣候極端惡劣。山脈呈東西向縱貫延展，谷嶺相間，地勢起伏跌宕，區(qū)內(nèi)山勢雄偉，海拔較高，測區(qū)內(nèi)高點(diǎn)位于線路右側(cè)山脈，最低點(diǎn)為雅魯藏布江河谷。隧道范圍內(nèi)覆蓋層主要為第四系全新統(tǒng)坡殘積成因的碎石土，崩坡積成因的碎石土，沖洪積的砂土、細(xì)、粗圓礫土、卵石土及漂石土，第四系上更新統(tǒng)冰水堆積層砂土、碎石土及塊石土，下伏基巖為早白堊系英云閃長巖及閃長巖、新遠(yuǎn)古-中元古界念青唐古拉巖群八拉巖組片麻巖。隧道穿越里龍活動(dòng)斷裂，該斷裂以61°與線路于里程 DK351＋575～DK351＋675相交，該斷裂呈北北西-近南北走向，斷裂橫穿雅魯藏布江，全長約65 km，DK349＋500附近為里龍斷裂（為活動(dòng)斷裂），對(duì)工程影響大。隧道埋深較大，最大埋深1 800 m，區(qū)域應(yīng)力場較高。

3 巖爆規(guī)律分析

2016年7月至2017年10月份，崗木拉山隧道平導(dǎo)和正洞不同里程段發(fā)生了巖爆，平導(dǎo)和正洞大約在里程DK348＋300左右出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象，巖爆主要集中在爆破后4 h內(nèi)，4 h以后稍微減弱，巖爆部位集中在新開挖的掌子面及周邊巖壁。巖爆發(fā)生后，伴隨有噼啪聲和清脆的爆裂聲，拱頂和拱腰處巖石主要為片狀和塊狀剝離掉落（見圖1），隨后集中在某處連續(xù)以塊狀、甚至板狀掉落，并形成爆坑，偶有彈射現(xiàn)象發(fā)生。

圖1 局部剝落

巖爆大多發(fā)生在埋深較大的地段，并且隨工程開挖逐步深入、埋深逐漸增大的同時(shí)，發(fā)生頻率也隨之增多。巖爆除了在掌子面上發(fā)生，還多發(fā)生在距掌子面距離為0.5～3 m的巖壁上，此外，在支護(hù)完后距離掌子面3～10 m也有產(chǎn)生巖爆對(duì)初支造成破壞的情況；巖爆大多發(fā)生在隧道拱頂和右拱腰處，存在明顯的時(shí)間效應(yīng)，一般在開挖后0～8 h發(fā)生，在爆破后的0～4 h最為強(qiáng)烈，4～8 h稍微減弱，8 h后發(fā)生頻率進(jìn)一步降低；也存在支護(hù)完1～10 d后巖爆對(duì)初支造成破壞的情況。

4 巖爆成因分析

4.1 埋深

巖爆與隧洞埋深存在一定的關(guān)聯(lián)，一般情況下，地應(yīng)力是隨著埋深變化的，隨著埋深增加，地應(yīng)力表現(xiàn)為增大的趨勢，這種增大不僅僅表現(xiàn)為只存在自重應(yīng)力時(shí)，即使有構(gòu)造應(yīng)力時(shí)也存在這種趨勢，所以埋深越大，開挖時(shí)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生巖爆的烈度和頻率就可能越大。不僅地應(yīng)力的大小隨埋深的改變而變化，而且其方向也隨埋深而發(fā)生改變，根據(jù)國內(nèi)外對(duì)地應(yīng)力測得的數(shù)據(jù)［1-7］，大多情況下當(dāng)埋深小于1 000 m時(shí)，水平方向的主應(yīng)力占主導(dǎo)，當(dāng)埋深大于1 000 m時(shí)，垂直方向的主應(yīng)力占主導(dǎo)。從現(xiàn)場巖爆規(guī)律來看，巖爆大多發(fā)生在埋深大于500 m的地段，且有埋深越大產(chǎn)生巖爆強(qiáng)度越強(qiáng)烈的規(guī)律。

4.2 巖性

國內(nèi)外發(fā)生巖爆案例很多，從這些巖爆案例分析，能發(fā)生巖爆的洞室圍巖都有一個(gè)共同特征，即巖石都比較新鮮完整、質(zhì)地清脆且堅(jiān)硬、抗壓強(qiáng)度較高，沒有或者較少的結(jié)構(gòu)裂隙；相反，結(jié)構(gòu)破碎、彈性模量低、巖石質(zhì)地軟、含水量高是不易發(fā)生巖爆的［8］，這種巖性即使發(fā)生巖爆也是輕微巖爆，表現(xiàn)不出彈射。從已發(fā)生巖爆的工程實(shí)例中可發(fā)現(xiàn)，巖爆大多發(fā)生在閃長巖、石英巖、片麻巖、花崗巖、花崗閃長巖、正長巖、大理巖、花斑狀大理巖等巖體中［9］，這些巖石的共同特征是堅(jiān)硬而性脆，當(dāng)圍巖卸荷應(yīng)力集中達(dá)到其極限強(qiáng)度后，巖石就會(huì)急劇破壞。從能量的角度出發(fā)，上述巖石在破壞之前都能夠儲(chǔ)存較大的彈性能，也就是這類巖石彈性能量指數(shù)較大，破壞時(shí)釋放的能量也就越大，這種能量就是巖爆產(chǎn)生的動(dòng)力。崗木拉山隧道范圍巖性主要為閃長巖、片麻巖，單軸抗壓強(qiáng)度大于60 MPa，性脆，符合巖爆發(fā)生的巖性條件。

4.3 最大地應(yīng)力方向

從現(xiàn)場巖爆規(guī)律來看，當(dāng)洞身走向與地表溝壑平行時(shí)更易產(chǎn)生巖爆，地表溝壑走向往往反映了地應(yīng)力特征，說明洞身走向與最大主應(yīng)力平行時(shí)，更易產(chǎn)生巖爆。

4.4 開挖方式

在高地應(yīng)力地區(qū)修建隧道時(shí)，洞室開挖卸荷之后，圍巖的初始地應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞，應(yīng)力進(jìn)行了重新分布，在圍巖壁產(chǎn)生了應(yīng)力集中效應(yīng)，當(dāng)集中應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值，就可能將圍巖壁巖塊擠壓壞并給其一個(gè)初動(dòng)能使其彈射出來，同時(shí)集中應(yīng)力進(jìn)行了釋放，就產(chǎn)生了巖爆［10-11］。高地應(yīng)力條件是巖爆發(fā)生的外因。圍巖壁應(yīng)力集中程度不僅與巖體開挖前的初始地應(yīng)力有關(guān)，而且與施工方法和開挖洞室的形狀等工程因素有關(guān)。一般情況下，圓形洞室周邊應(yīng)力分布較均勻，沒有明顯應(yīng)力集中超高點(diǎn)，而非圓形洞室洞壁應(yīng)力集中不均勻，有的部位如拐角點(diǎn)處的應(yīng)力集中程度較高，發(fā)生巖爆的概率也會(huì)較大［12］，所以巖爆與爆破效果有很大的關(guān)系，從施工現(xiàn)場來看，掌子面爆破效果好，則周邊開挖輪廓線較圓順，巖爆發(fā)生的概率就較小；爆破效果差，開挖輪廓線凹凸不平，就會(huì)增加很多較高的應(yīng)力集中點(diǎn)，巖爆的概率就會(huì)大很多。此外，開挖進(jìn)尺也影響巖爆，進(jìn)尺越大圍巖一次釋放的應(yīng)力也就越大，就更容易產(chǎn)生巖爆，從現(xiàn)場施工經(jīng)驗(yàn)來看，進(jìn)尺小于2.5 m時(shí)，巖爆發(fā)生的概率明顯降低。

巖爆的發(fā)生機(jī)理很復(fù)雜，從現(xiàn)場巖爆規(guī)律來看，巖爆的發(fā)生主要和埋深、巖性、最大主應(yīng)力方向、開挖方式有關(guān)，因此巖爆的預(yù)測和防治主要圍繞這四個(gè)因素進(jìn)行。

5 巖爆預(yù)測預(yù)報(bào)

5.1 巖體結(jié)構(gòu)分析

通過對(duì)巖爆發(fā)生段巖性、巖體結(jié)構(gòu)等的統(tǒng)計(jì)分析，得出巖爆發(fā)生的巖性及巖體結(jié)構(gòu)條件，以此為依據(jù)進(jìn)行巖爆宏觀判斷。

5.2 應(yīng)力解除法

地下埋深處的任何一點(diǎn)都處于三向應(yīng)力狀態(tài)，如果人為地將某一點(diǎn)的應(yīng)力解除，必然會(huì)發(fā)生彈性變形，用應(yīng)變片測試其應(yīng)變量，然后利用彈性力學(xué)公式就可計(jì)算出其初始地應(yīng)力。崗木拉山隧道采用應(yīng)力解除法測試了地應(yīng)力，最大主應(yīng)力普遍在20～30 MPa之間。

5.3 巖爆預(yù)測結(jié)果

采用盧森巖爆判別法對(duì)隧道段落進(jìn)行了判別，判別結(jié)果為：DK316＋816～DK346＋915等段落無巖爆，DK348＋710～DK348＋814等段落為輕微巖爆，DK348＋880～DK349＋057等段落為中等巖爆。針對(duì)預(yù)測到有巖爆的地段，施工中應(yīng)采用有針對(duì)性的防治措施，有效防止巖爆的發(fā)生。

6 巖爆控制技術(shù)

針對(duì)巖爆等級(jí)（輕微、中等、強(qiáng)烈）采取相應(yīng)的施工措施，主要從高度機(jī)械化施工、軟化圍巖、釋放圍巖應(yīng)力及加強(qiáng)支護(hù)措施等方面控制巖爆的發(fā)生。

6.1 輕微巖爆

（1）開挖進(jìn)尺嚴(yán)格控制在3 m以內(nèi)，盡可能全斷面開挖，一次成型，減小對(duì)圍巖的擾動(dòng)，每循環(huán)垂直掌子面鉆6～8個(gè)孔徑不小于70 mm的應(yīng)力釋放孔，深度4～10 m，并向孔內(nèi)壓水。

（2）在開挖面上灑水，軟化表層，促使應(yīng)力釋放和調(diào)整，減少巖石彈射的概率，并在爆破后及時(shí)施作初期支護(hù)，襯砌緊跟，盡可能減少巖壁裸漏的時(shí)間，要根據(jù)結(jié)構(gòu)面特征和前期經(jīng)驗(yàn)，判斷是否有大塊體剝落，并做好相應(yīng)的防護(hù)工作，確保施工安全。

（3）開挖過程中嚴(yán)格采用“短進(jìn)尺、多循環(huán)”開挖理念，加強(qiáng)光面爆破效果，嚴(yán)格控制周邊孔裝藥量，盡量采用弱爆破，周邊孔布置間距易控制在40 cm以內(nèi)，采用隔空裝藥，減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，使隧道周邊圓順規(guī)則，減少局部應(yīng)力集中發(fā)生的可能性，降低巖爆發(fā)生的強(qiáng)度。

（4）打設(shè)錨桿（見圖2），錨桿采用直徑22 mm長2 m砂漿錨桿，錨桿尾端均需設(shè)墊板并與初噴密貼，鋼筋網(wǎng)片鋼筋直徑6mm，間距為25 cm×25 cm，視情況可布設(shè)雙層或多層。如產(chǎn)生了大面積剝落或三角坑較大時(shí)要及時(shí)采用 18型鋼支護(hù)（見圖3），間距在0.5～1 m之間。

圖2 打錨桿掛網(wǎng)片

圖3 設(shè)立鋼拱架

6.2 中等巖爆

除采取上述微弱巖爆的措施外，在施工中還應(yīng)采取以下措施：

（1）開挖進(jìn)尺嚴(yán)格控制在3 m以內(nèi)，盡可能全斷面開挖。

（2）在隧道開挖斷面輪廓線外10～15 cm范圍內(nèi)，在拱部和側(cè)壁打設(shè)一定數(shù)量注水孔，并向孔內(nèi)注射高壓水，軟化圍巖，減少彈射，同時(shí)促使圍巖內(nèi)部的應(yīng)力釋放。

（3）每循環(huán)垂直掌子面鉆8～10個(gè)孔徑不小于70 mm的應(yīng)力釋放孔，深度4～10 m，并向孔內(nèi)壓水。

（4）巖爆發(fā)生后，立刻停止所有施工活動(dòng)，人員馬上撤離，確保安全之后，進(jìn)行工作面的記錄，如巖爆的位置、強(qiáng)度、類型、數(shù)量、規(guī)模等。

（5）拱部及邊墻最大跨以上設(shè)置3 m長YE25-5漲殼式預(yù)應(yīng)力中空錨桿，間距1.0 m×1.0 m，錨桿必須設(shè)置墊板，鋼筋網(wǎng)片鋼筋直徑6 mm，網(wǎng)格間距25 cm×25 cm，并加大初支噴混凝土的厚度至8 cm。

（6）在巖爆剝落造成三角坑寬度不大于1 m，深度≤50 cm采用同標(biāo)號(hào)噴射砼回填處理；爆坑深度＞50 cm的采用C20砼回填處理；爆坑范圍較大的是否采取立架等特殊處理措施由四方現(xiàn)場確認(rèn)。

6.3 強(qiáng)烈?guī)r爆

除采取上述中等巖爆措施外，在施工中還應(yīng)采取以下措施：

（1）掌子面沿拱墻開挖輪廓周邊先施作6 m深超前應(yīng)力釋放孔，環(huán)向間距1.5 m，縱向間距20 m，單孔長度25 m。

（2）拱墻初噴鋼纖維混凝土或C25合成纖維混凝土，拱墻設(shè)置 14型鋼，縱向間距1.0 m。

（3）拱墻設(shè)置4 m長YE25-5漲殼式預(yù)應(yīng)力中空錨桿，錨桿長度2.0 m，間距1.0 m×1.0 m，錨桿必須設(shè)置墊板，柔性鋼筋網(wǎng)片直徑8 mm，網(wǎng)格間距25 cm×25 cm。

7 結(jié)束語

（1）崗木拉山隧道巖爆主要發(fā)生在爆破后的4 h內(nèi)，主要表現(xiàn)為拱頂和拱腰的片狀或塊狀剝離掉落，形成爆坑，較少出現(xiàn)彈射現(xiàn)象。

（2）通過現(xiàn)場巖爆特征，確定巖爆影響因素主要為洞室埋深、圍巖巖性、最大主應(yīng)力方向、開挖方式等。

（3）采用應(yīng)力解除法對(duì)原始地應(yīng)力進(jìn)行了測試，并用盧森巖爆判別法對(duì)巖爆進(jìn)行了預(yù)測，結(jié)果表明崗木拉山隧道大部分段落為輕微巖爆或者中等巖爆。

（4）針對(duì)不同強(qiáng)度巖爆提出了相應(yīng)的防治措施，包括控制開挖進(jìn)尺、灑水、注水、控制爆破、打設(shè)錨桿、設(shè)立鋼拱架以及爆坑處理等，通過一系列措施在現(xiàn)場的應(yīng)用及改進(jìn)，確保了巖爆段落的施工安全。